《線棒材二次加工技術動向》概論

（翻譯自《特殊鋼 特集/線材・棒鋼の２次加工技術動向　2016.05》）

前言

鋼廠熱軋製造的線棒材經熱處理、表面處理（除鏽、磷化）、拉拔、探傷等2次加工後成為鋼線及磨光棒，可提供給螺栓、彈簧、各種鋼纜線等3次加工產品使用（圖1）。2次加工可為特鋼線棒材提高附加值，是決定鋼線和磨光棒性能與品質的重要工序，本刊將概述2次加工的各種工序。（圖1 除鏽（除去熱處理爐內氧化氛圍產生的氧化鐵）→熱處理（提供良好加工性能/滿足需要的機械性質）→除鏽（除去較硬的有害使用的表面氧化鐵）→磷化膜（提供必要的加工潤滑）→拉拔（獲得所需的尺寸精度、表面性狀和機械特性））熱處理是在所需的範圍內調整鋼材硬度和組織的工序，其目的一是提高鋼材2次加工時的可加工性，二是滿足最終產品的使用特性。熱處理種類有退火、正火、淬回火、鉛浴淬火、固溶化處理等，差別很大。另外熱處理爐也有直接盤卷形態處理的罩式爐（批式爐）、連續爐，也有線材放線抽出狀態下處理的線式爐。例如冷拉鋼線為防止斷絲並提高模具壽命，會在罩式爐或連續爐中球化退火。對於硬鋼線，為獲得細小珠光體組織以得到高拉伸加工性和拉絲後的高強度、高韌性，會使用熔融鉛在線式連續爐中實施。

熱處理需要使鋼材長時間保溫，相比其他工程能耗更大。所以業界一直在開發研究熱加工後直接熱處理或調整成分最優等技術手段以縮短熱處理時間甚至取消熱處理步驟1）、2）。此外為降低熱處理工序的能耗，還會使用輻射管等高熱輻射材以提高燃燒效率、減少燃氣反應裝置3）等。

除鏽、磷化

線材在拉拔加工前，除去熱加工或熱處理時鋼材表面生成的氧化鐵皮（除鏽）、進行表麵皮膜處理（磷化）是很必要的。除鏽後鋼材表面若有氧化鐵殘留，則可能成為拉拔、鍛造加工時粘型等不良加工情況的發生點。表面磷化鍍膜不充分不光會加工不良，還會使線材放置過程生鏽。為使線材組織性能均勻，要力求除鏽、磷化完全。

除鏽包括以化學方法為代表的酸洗以及機械除鏽的噴丸、反覆彎折法等（圖2）。另外線材盤卷形態處理的罩式爐和放線狀態處理的線式爐也有很大區別。

酸洗以硫酸、鹽酸、硝酸為主。根據需要的精線品質、鋼種、線徑等不同，需要控制不同的酸濃度、溫度、酸洗時間等。罩式爐處理後需要控制一定的酸洗時間以獲得穩定品質，線材盤卷也運用起了自動搬運浸酸的自動酸洗設備。為使酸洗設備提高處理能力，開發了排布酸洗槽的最優方案和盤卷搬送順序的模擬技術4）。使用後的廢酸一般經過產廢處理，但無論是為應對環境問題還是成本削減，相比使用離子交換樹脂，都應持續推進產廢的循環利用5）。此外列式的酸洗設備，也會使用電解酸洗法，在線材內通電流以促進反應進行、縮短處理時間。

機械除鏽法之一的噴丸是使用壓縮機加速鋼珠向線材表面投射、噴擊，利用衝擊力使氧化鐵皮殼剝離去除的技術。線材用噴丸的節能型裝置已得到開發普及6）。反覆彎曲法（Reverse bending）是使線材彎曲，利用鐵基和氧化鐵塑性差異，使氧化皮破壞剝離的技術。它不使用酸有較大優勢，但根據去除原理，一般只適用於氧化鐵粘附性較差、剝離較易的熱加工材。

皮膜處理是利用化學反應在線材表面生成化成皮膜，與物理附著的物理型皮膜有較大差別。皮膜處理的效果包括皮膜自身潤滑性及其對後道加工的潤滑性影響、拉拔加工時使潤滑劑粘附的載體性能、材料運輸保管時的防鏽能力等。皮膜種類不同，性能有異，需要根據拉拔材的性能進行區分。

化成皮膜的代表是磷酸鹽膜。它使用磷酸溶解鋼材表面，使磷酸鹽結晶生成長大，通過磷酸鹽（リン酸塩）與鐵基體（地鉄）間的強的密著依附作用來獲得高加工性和防鏽性，其特徵是皮膜結晶表面有細小凹凸起到潤滑效果。將硬脂酸鈉在磷酸鹽膜上塗布反應生成金屬皂化（金屬石けん）層，獲得更高的皮膜性能（反應性皂化處理皮膜，圖3-反應性皂化處理皮膜示意圖）。防鏽是因為磷化膜不發生反應，也可用草酸鹽皮膜代替。

物理型皮膜的例子有石灰和硼砂。石灰是以消石灰（氫氧化鈣）為主成分的皮膜，性能不及磷酸鹽膜，但勝在處理方便、價格低廉，所以廣為使用。硼砂膜作為潤滑劑的載體保證了潤滑劑與鋼絲間的附著，主要用於硬線連續拉伸。
對於高強度螺栓，磷酸鹽皮膜處理存在滲磷導致延遲破壞的問題；對於PRTR法和歐洲REACH標準的產品，硼砂存在環境方面的問題。因此非磷皮膜和無硼素皮膜的開發也在進行中7）、8）。
除鏽、覆膜處理後的線材，由於調整規格尺寸、增加強度、使表明平滑、改善熱處理工序後的組織等目的，會進行拉拔。根據拉拔前後的斷面面積定義了減面率，一般一道次拉拔減面率不超過30%，根據所需線徑規格反覆拉拔最終獲得目標規格。例如硬線從母材到成品需要達到90%以上的減面率，因此會經過數道拉拔加工（連續拉拔），此時還需要在拉拔過程中增加熱處理（中間熱處理）的工序。
拉拔加工一般使用有孔的拉絲模具。實測及模擬表明9），拉拔加工中模具與線材的接觸面會上升到數百攝氏度。為防止拉拔中溫度上升導致的線材時效脆化，需使用冷卻模具和卷取筒以及線材直接冷卻的冷卻拉拔技術。
為防止線材與模具的燒結粘型並提高拉速與減面率以提高生產效率，拉拔過程會使用潤滑劑。潤滑劑分乾式、溼式、油性潤滑劑，根據用途及線徑選擇。為使乾式潤滑劑良好附著在模具表面，潤滑劑液箱內會使用壓著滾輪或使用壓力模等。油性潤滑劑均使用氯化極壓添加劑，但廢棄焚燒時會生成二噁英類物質，因此正在推進潤滑劑的去氯化開發使用10）。
模具材質主流有超硬合金和金剛石兩種，也有使用陶瓷類的。金剛石比超硬合金更硬，具有高的耐磨耗性，由於價格高昂一般只適用於極細線的拉拔。為提高模具的耐磨耗性，也有在超硬合金上披覆TiN等的塗膜的11）。另外，也有不使用傳統孔型模具，而使用滾輪模具或微型軋輥進行拉拔加工（冷壓）的方法。這與有孔模具相比，具有一道次即可達到高的減面率、拉拔抗力較低、拉拔時發熱程度低等優點。但其模具構造複雜、不圓度較孔型模具控制難。目前在細徑軸承用鋼線上有使用冷壓方法、省略了中間工序的報導12）。拉拔材表面缺陷會成為後道工序斷線破壞等的原因，因此表面質量是用戶極重視的產品品質之一。加之近年近淨成型和材料高強度化的趨勢發展，表面質量的要求越來越嚴格。以此背景，二次加工過程中表面缺陷穩定檢出的材料探傷技術發展日趨迫切。
拉拔材通盤進行缺陷檢測廣為使用的是渦流探傷法（Eddy Current Testing: ET）。缺陷存在會擾亂施加於鋼材表面的渦電流，利用這點可以檢測出缺陷的深度和形態。分類包括旋轉式（拉拔材周圈有數個探傷線圈旋轉）和貫通式（拉拔材放置於探傷線圈中心）。旋轉式對於長的線狀缺陷檢測精度較高，貫通式對於點狀、塊狀等短缺陷檢測精度較高。應根據重點關注的缺陷類型加以區分使用，也有兩者結合使用的情況。對於渦流探傷檢出的缺陷，需要標記缺陷部位並在後道工序切斷除去，亦或是中止拉拔放線，利用目視或磁粉探傷對檢出部位處理打磨以去除缺陷。後者停止生產存在降低生產效率的問題。因此目前開發實用了渦流探傷與缺陷部分切除兩者組合的自動檢測-處置系統13）、14）。
本文介紹了2次加工各工序最近的技術動向。用戶對特鋼棒線材的品質要求越來越高。鋼鐵材料製造企業不光要專注改善母材原料質量，還要關注如前文引言所述決定精線、磨光棒性能的二次加工過程，整合技術開發及作業改善方法，以應對用戶的高要求、嚴標準。本人也將奉獻微力，致力於二次加工的技術發展。